Большая часть энергии, которую вырабатывают двигатели, печи и электростанции, уходит впустую в виде тепла. Термоэлектрические материалы способны превращать разницу температур в электрический ток, но создать вещество, которое хорошо проводит электричество и одновременно плохо проводит тепло, крайне сложно. Обычно эти два свойства идут рука об руку.
Исследователи из Института науки Токио предложили необычное решение. Они создали кристалл состава TlFe₁.₆Se₂, в котором поведение сверхтонких атомных плёнок «запечатано» внутри обычного объёмного материала. По структуре он напоминает многослойный сэндвич: тончайшие слои селенида железа (FeSe) регулярно встроены в трёхмерную кристаллическую решётку.
Почему это важно
Атомарно тонкие плёнки FeSe обладают очень хорошими электрическими свойствами для термоэлектричества. Однако работать с плёнками толщиной всего в несколько атомов на практике крайне неудобно: их сложно производить, переносить и встраивать в реальные устройства. Токийские учёные фактически воспроизвели полезные свойства таких плёнок внутри обычного твёрдого кристалла, с которым гораздо проще обращаться.
Ключевую роль играют вакансии железа — намеренно созданные «дырки» в кристаллической решётке. Они мешают распространению фононов — колебаний атомов, которые переносят тепло. В идеальном кристалле тепловые колебания идут свободно, а в материале с вакансиями они рассеиваются. В результате теплопроводность падает до крайне низких значений — около 0,2 Вт/(м·К) при температуре примерно 180°C. Материал ведёт себя почти как теплоизолятор, но при этом сохраняет способность генерировать электрический отклик.
Что дальше
Пока технология существует только в лабораторных условиях. Чтобы она стала практичной, нужно повысить общий коэффициент полезного действия, проверить долгосрочную стабильность, снизить стоимость и решить вопросы масштабирования. Дополнительную сложность создаёт таллий — токсичный элемент, входящий в состав кристалла. Для реального применения потребуются надёжные способы его безопасного использования и утилизации.
«Эта работа демонстрирует эффективность новой концепции дизайна, в которой функциональность низкоразмерных материалов встраивается внутрь объёмных кристаллов, — отмечает руководитель исследования профессор Такаёси Катасэ (Takayoshi Katase). — Результаты открывают перспективный путь к созданию термоэлектрических материалов следующего поколения, которые преодолевают традиционный компромисс между электрическими и тепловыми свойствами».
Если подход удастся развить, такие кристаллы смогут превращать тепло выхлопных газов автомобилей, промышленных печей и электростанций в дополнительную электроэнергию. Это один из возможных способов повысить энергоэффективность там, где сейчас тепло просто уходит в атмосферу.
Исследование опубликовано в журнале Journal of Materials Chemistry A.
